軟件開發類課程翻轉課堂教學模式研究

曾明星， 周清平， 蔡國民， 王曉波， 顏一鳴， 黃 云， 楊燕萍

(吉首大學 軟件服務外包學院，湖南 張家界 427000)

0 引 言

軟件開發類課程內容多、學時少、理論抽象、實踐性強[1]。傳統教學模式重理論講解，輕實際操作，理論脫離實際，產學脫節，學生難于理解，很多軟件工程專業學生遇到困難后容易產生畏難情緒[2-3]，學生的學習積極性、主動性低，培養質量差，難以滿足用人企業的要求。在軟件開發類課程教學中運用翻轉課堂教學模式，學生課前自主學習理論，課堂開發、研討真實企業項目，所有學生獲得個性化教育，大大提高學生的實踐操作能力、創新能力，實現高校人才培養與企業需求的無縫對接。

1 翻轉課堂的內涵、應用與研究現狀

翻轉課堂(Flipped Class Model)又稱為“反轉課堂”，是學生晚上在家觀看教學視頻、完成知識學習，而白天在課堂完成作業與知識內化的一種教學形態[4]，與傳統的“老師白天在教室上課、學生晚上回家做作業”的方式正好相反的課堂模式[5]。翻轉課堂具有以學生為中心、學生自主學習、師生互動、教師成為導師、直接指導和建議式學習混合、缺席學生不會被落下功課、教學內容永久保存、所有學生參與學習并獲得個性化教育等特征[6]。2007年，美國柯羅拉多州Woodland Park High School的兩位化學老師喬納森·伯爾曼(Jonathan Bergmann)和亞倫·薩姆斯(Aaron Sams)提出了翻轉課堂理念，并且在教學中采用了這一模式，發現用這種方法取得的教學效果遠比傳統方式的效果好得多[7]。兩位教師的實踐引起越來越多的關注，這種新型教學模式在北美乃至美國中小學教育中深受歡迎并快速推廣，世界各地的許多教師也采用這種模式教西班牙語、科學、數學，并用于小學、初中、高中和成人教育[8]。2011年重慶市江津聚奎中學和廣州市海珠區第五中學相繼實施翻轉課堂教學模式并獲得了成功。重慶江津聚奎中學隨機選取兩個實驗班，在語文、數學、英語、物理、化學等8門課程開展翻轉課堂實驗，問卷調查顯示：82.9%的學生比較喜歡或非常喜歡，88%的學生認為提高了學習積極性，88.9%的學生認為增強了學習信心，88%的學生認為知識要點更易理解，99.6%的學生認為幫助自己做好筆記，63%的學生認為作業完成質量更好，100%的教師接受這種教學模式[9]。

國內學者對翻轉課堂的研究逐漸增多，楊剛、楊文正介紹了美國十大“翻轉課堂”案例；曾貞探討了反轉教學的特征、實踐及問題，認為反轉教學是有目的地運用技術，探索個別化教學的成功范例[10]；張金磊、王穎等在對國外教學實踐案例研究的基礎上，構建出翻轉課堂教學模型；朱莎、宋化民探討了翻轉課堂在農民科技培訓中的應用；馬秀麟、趙國慶對大學信息技術公共課翻轉課堂教學進行了實證研究，認為課堂討論對知識內化有幫助，對于大學信息技術公開課具有潛在優勢[11]。張金磊、張寶輝提出了基于游戲化學習理念的翻轉教學模式，以更好地促進翻轉課堂在教學實踐中的應用。當今對翻轉課堂教學模式的研究與應用主要集中在中小學教育，在普通高校尤其是針對軟件開發類課程的研究與應用成果較少。

2 運用翻轉課堂教學模式的可行性

2.1 軟件開發類課程的強實踐性

軟件類課程可分為專業基礎課程與軟件開發課程，C語言、數據結構、操作系統、數據庫原理等屬于專業基礎課程，面向對象程序設計、Web程序開發、軟件工程、Java程序設計、JSP等為軟件開發課程。這兩類課程具有很強的實踐性、工程性[12-13],尤其是軟件開發類課程，更強調動手與實踐，解決工程問題[12]。軟件開發類課程理論與實踐相互關聯[2]，學生難以靠聽講軟件開發理論學會開發一個真實的軟件，而是在“動手做”和“真正練”中體會和掌握軟件開發的思想[14-15]。軟件開發類課程傳統教學重理論、輕實踐，“學”、“用”脫節[16]，學生缺乏學習的動力與興趣[15]。而項目教學法、研討式教學法是軟件開發類課程較為合適的教學方法，有利于培養學生學習的興趣、主動性和實際動手能力[2]。翻轉課堂把學生掌握知識的作業過程轉變為課堂上交流學習成果、從事科學實驗、項目協作探究、完成課堂作業的過程[9]。翻轉課堂模式強調任務驅動、問題導向，本身是一種基于項目的學習[9]。美國德克薩斯州教師布雷特·維廉認為，由于翻轉課堂的實施，帶來了課堂時間的增加，教師與學生有大量的時間進行增強性的課堂活動，如討論、實驗、互動和基于項目的學習[17]。因此，翻轉課堂廣泛采用的研討式、項目驅動式學習教學模式與軟件開發類課程的強實踐性要求極為吻合，有利于提高軟件開發類課程的教學效果。

2.2 教學資源與學習條件

首先，翻轉課堂的實現離不開教育技術與信息技術的發展，而目前普通高校都開通了互聯網，配備有現代化的教學設施，有些學校甚至和英特爾、Google等知名IT企業在移動終端、電子書包、云計算等多個領域進行了合作，并逐步形成氣候[18]。其次，從事軟件開發類課程的教師在信息技術領域有一定的研究，能夠勝任信息技術資源的開發與利用、軟件開發教學資源的設計、制作與發布等任務，部分教師甚至是教育技術領域的專家[11]，開發教學資源的條件具備。第三，非計算機類大學生的電腦持有率達88%[19]，計算機相關專業的大學生更高，接近100%，能滿足學生的學習條件要求。

2.3 學生信息類工具的應用能力

早在1984年2月16日，鄧小平同志說過：“計算機的普及要從娃娃抓起。”我國《中小學信息技術課程指導綱要》要求中小學生了解和掌握信息技術基本知識和技能，通過信息技術課程使學生具有獲取信息、傳輸信息、處理信息和應用信息的能力。目前，大部分中小學都開設有計算機應用課程，進入大學以后都已經掌握了一定的信息技術能力，能夠熟練地使用Windows 系統與網絡工具，操作各種多媒體資源。計算機或軟件工程相關專業大學生從大一開始就學習軟件開發專業基礎課程，因此，對于計算機類相關專業的大學生來說，信息類工具的應用能力已完全具備。

2.4 學生的自主學習能力

自主學習是指學習者在總體教學目標的宏觀調控下，在教師的指導下根據自身條件和需要制定并完成具體學習目標的學習模式[20]。常寶英實證研究表明，大學生能主動完成學習任務的約占64.13%，被動完成學習任務的占22.34%，有13.53%的學生要視情況而定[21]。說明大部分學生具備了一定的自主學習能力和自我約束能力，能夠按照教師的要求開展自主學習。盡管有部分學生的自主學習能力不強，但在優秀學生的帶動與教師的引導下，能夠勝任大部分知識的自主學習[11]。人的自主學習的程度隨著年齡增長、經驗積累、知識智能逐步提高、文化程度提升而不斷提高[20]。國內外諸多中小學實行翻轉課堂教學模式的成功經驗表明，中小學生的自主學習能力能滿足要求，大學生自主學習能力更強。

3 軟件開發類課程翻轉課堂教學模型

軟件開發類課程教學適合于采取以項目開發過程為主軸的教學方式，按項目的構建過程為線索安排教學步驟，整個教學過程由項目任務來驅動，以一個小而完整的軟件開發項目貫穿于整個課程教學過程的始終[22]，基礎理論知識的講授圍繞項目開發需求來組織、展開。如圖1所示，軟件開發類課程翻轉課堂教學模型主要由課前視頻學習、課堂訓練內化、課后固化三個相互關聯的過程所組成：

圖1 軟件開發類課程“翻轉課堂”教學模型

3.1 課前視頻學習

課前視頻學習是課堂訓練內化的基礎知識準備階段，學習效果的好壞直接影響課堂訓練。首先，教師根據本課程的特征、教學目標與知識體系要求挑選軟件開發項目，安排教學活動，按照“反工藝”順序的思想，以項目開發過程與需求為中心，設計每一堂課的基礎理論知識點與訓練習題。然后，教師將理論知識制作成精簡視頻并上傳至云計算網絡教學平臺，布置學生課前觀看教學視頻并完成知識點的訓練與測驗。

學生按照教師布置的學習任務，結合個人需要自定進度、節奏、速度與方式自主學習。基礎好的學生可以加快學習，基礎差的學生可以放慢進度或重復觀看視頻反復學習。教師在知識點講解之前設計問題，讓學生帶著問題觀看視頻并在其中尋找答案，在每個知識點講解播放結束之后，學生完成教師布置的訓練題，測驗結果通過網絡系統即時反饋給學生，學生會產生很多疑問，然后學生對訓練結果與疑問進行整理，帶進課堂向教師提出質疑或者通過云計算網絡教學平臺與教師進行交流。

3.2 課堂訓練內化

3.2.1設計課堂活動

翻轉課堂成功的關鍵在于通過組織課堂活動完成知識內化的最大化[5]。對于軟件開發類課程的課堂教學，教師圍繞軟件項目開發的可行性、需求分析、總體設計、詳細設計、編碼、測試、運行與維護等全過程設計課堂活動。不同軟件開發類課程有不同的要求與側重點，課堂活動的設計必須滿足該課程目標。根據軟件項目訓練完成的工作量與時間長短，課程目標可以分為學期目標、單元目標、課時目標[23]。學期目標是指貫穿于整個學期中的課程項目目標，它基本覆蓋了該課程的主要知識體系，需要完成一個完整的項目才能實現。單元目標和課時目標是學期目標在時間與空間上的分解。單元目標是學期中一個完整項目中的子項目或分項目目標，涉及軟件開發過程的一個或幾個環節。課時目標是子項目或分項目中的一項或幾項任務，也是每次課或每節課應達到的教學目的，一般只涉及項目開發全過程中的某一個環節。不同軟件開發類課程涉及項目開發環節也不一樣，應有重點地選擇、設計其軟件開發環節與課堂活動。

3.2.2進行課堂訓練

首先，教師針對學生課前提出的問題答疑解惑，或者根據學生課前理論知識測試的反饋情況，有針對性地講解相關知識點。然后，教師按照預先設計的課堂活動，簡單介紹課時目標，引導學生了解項目課時目標與任務。第三，模擬企業項目開發小組組建學習團隊，4～6人組成一個項目開發小組，每小組推選出一名組長。項目組長負責任務分配、進度跟蹤和質量監控，教師抽查各組進度狀況。組長組織成員進行軟件需求分析、系統設計、編碼、功能測試等工作，成員分工協作，既可獨立完成某一新知識型任務，也可以協作探究，共同完成某一相對復雜的任務。在項目訓練過程中，學生體驗、感受和領悟新知識，遇到問題可以相互學習、共同研討的方式解決，也可以與教師進行一對一或是一對多的交流，對于學生存在的共性問題，教師可以統一示范，集體解決。教師在回答學生問題并適當點撥理論知識的同時，不斷引導學生思考更深層次的問題。這樣，學生在“訓練—研討—創新—提問—點撥—再訓練—再創新”的過程中不斷提到提升。課堂經過翻轉以后，增加了師生和生生之間的互動和個性化的接觸時間，教師不再是高高在上的圣人，學生也不再是為命是從的信徒，課堂成為學生進行項目訓練、解決問題的場所，學生在“做中學”中理解與應用理論、學習理論，最大限度地完成知識內化。

3.2.3提交活動成果

每一次課結束以后，學生將以小組名義提交活動成果，當完成軟件開發訓練過程的一個環節時，輸出項目開發文檔。所有活動成果或開發文檔通過云計算網絡教學平臺提交，教師對學生完成課時目標與單元目標的情況進行即時總結、評價，并安排下一次課的學習內容。

3.3 課后固化

課后，每個學生重溫項目訓練過程中出現的錯誤與創新，對教師在課堂上的總結與評價進行回顧與反思，檢查、修改已提交的文檔，還可以通過云計算網絡教學平臺重新提交，溫故而知新。

4 軟件開發類課程翻轉課堂構成要素

4.1 網絡教學平臺

課前學生視頻觀看、訓練與測驗、學生管理與監控、學生學習狀態信息的獲取、師生交流、課堂學生軟件開發與文檔提交、學生成績評定等都離不開網絡教學平臺。為了降低學校固定資產投資與運行成本，減輕學生負擔，為師生提供方便，需要建立云計算網絡教學平臺。翻轉課堂云計算教學平臺框架如圖2所示，在云計算環境下，將學生課前與課堂管理、軟件開發過程管理、視頻資源管理、師生交流管理等管理子系統封裝成“云服務”，也可以將軟件開發環境、云教材、云項目、教學視頻、課件、課前訓練、開發工具等各種教學資源封裝成“云服務”向資源的開發與使用者提供，提高教學資源的利用率[24]。用戶無時空限制，通過采用手機、PDA 或平板電腦等終端設備登陸云計算教學平臺。

教師通過登陸云計算教學平臺開發或安裝視頻數據庫管理軟件、視頻數據查詢下載系統、視頻素材加工

圖2 翻轉課堂云計算教學平臺框架

和播放等軟件，上傳視頻資源、課件、訓練題等教學資源，也可以直接在云中開發教學資源、學生課前訓練與測驗系統，監控學生課前訓練情況。學生可以登錄到云計算教學平臺課前管理子系統觀看教學視頻、進行在線練習并測試，檢驗學習效果，還可以進行課程資源的瀏覽和學習，建立自己的學習資源庫和學習計劃，保存常用的學習資源，進行長期持續地學習。教師可以在云中直接建設軟件開發環境，學生可以在云中直接開發真實項目，學生開發的過程與文檔通過云計算學生課堂管理子系統輸出，教師可以監控、評價學生課堂訓練情況，學生對學習中遇到的問題可以通過教學平臺及時與教師進行交流。學校管理員主要管理各種云服務的整體運行、使用權限、資費及各類用戶信息等。教師主要在“云”中進行資源的開發、補充、修改、維護及進行學生指導與管理，學生主要在“云”中進行項目訓練、學習理論知識、體驗企業工作環境，校企合作企業在“云”中建立真實項目庫，并配合學校對項目進行可教學化改造。

4.2 視頻講解

視頻內容不但要與課時目標、課堂訓練內容高度相符，這是翻轉課堂課前理論學習的基本要求，而且要求簡明、清晰、到位地解釋新知識點，具有邏輯性、層次性、遞進性，同時要注意講授節奏、選取的例子、互動策略[25]。建構主義學習理論認為，人對知識的接受是運用原有知識對新的知識的理解和建構，因此，形象直觀、聲情并貌的情境式教學是促進學生理解、認識和感受新知識最好的方法與手段。在翻轉課堂中，學生基礎理論知識的學習主要通過觀看教師提供的網絡教學視頻來完成，視頻的視覺效果、互動性、時間長度等對學生的學習效果有著重要的影響[5]。通過采用文字、語言、聲音、動畫、影像等多種多媒體形式來表現和完成教學活動，教學視頻更具情境性，呈現的知識信息內容是多維、立體、動態的，讓人的視覺、聽覺、動覺能力協調配合，學生參與學習，激發興趣，增加理解深度，從而提高學習效率[26]。美國明尼蘇達州斯蒂爾沃特市石橋小學實施翻轉課堂，學生每次觀看視頻的時間為10 min～15 min[17]。大學生觀看視頻時間長度也不宜過長，視頻制作必須簡潔，一般每45 min的課堂訓練配制20 min左右時長的視頻較為合適。視頻播放應具有速度調整及可重復的功能，以適應不同基礎程度學生的學習。

4.3 課堂活動

教學內容在課外傳遞給學生以后，課堂內更需要高質量的學習活動，讓學生有機會在具體環境中應用所學知識。美國印第安納州波利斯市圣托馬斯?阿奎那天主教學校教師卓伊說[17]，“大多數人把主要精力集中在視頻制作，但實際上，最重要的是在課堂上，你如何來支配增加的自由時間。”軟件開發類課程翻轉課堂以真實軟件項目開發為核心，綜合運用專題研討、競爭、評比與交流等課堂活動，充分發揮學生的主體性，完成對課前所學知識的內化與提升。

4.3.1項目訓練

項目的選擇要來源于真實企業的真實項目，有校企合作企業專家的參與，從學生實際情況出發精心挑選，難度要適中，還要考慮學生興趣、愛好、認知特點。項目訓練采取小組協作開發與個人探索相結合的方式，互相激勵，主動參與，建構個人的知識，同時實現個人與小組的目標。

4.3.2專題研討

教師根據項目實施的難點、課程目標、學生觀看教學視頻及課前訓練中存在的問題，總結出一些有探究價值的問題并組織專題研討。項目小組通過采用集體訓練、獨立思考、共同分析、協作探究等手段從事意義建構。教師構建、引導學生進入更高研討境界的課堂教學程序：突出關鍵點、形成關注問題、激發擴散思維、樹立批判意識[27]。讓學生在思想碰撞、遷移、聯想中激發智慧，形成解決問題的信念、方法和毅力。

4.3.3競爭

教師建立小組競爭機制，展開各組之間的競爭。各小組的開發過程通過云計算教學平臺對其他組開放，各組成員可以隨時了解其他組的開發進度、質量控制、團隊協作等過程信息，形成企業競爭氛圍，促進各組項目順利完成，同時，培養學生危機感，樹立競爭理念。

4.3.4評比與交流

單元目標與學期目標完成以后，各組展示軟件產品，學生互評，老師評價。一方面，享受成就，交流經驗，深化學習成果；另一方面，提高溝通能力。

課堂活動要求教師善于策劃協作探究的主題，指導而不是直接要求學生怎么做，善于觀察、總結、組織交流討論，善于激發學生的探究熱情[9]。翻轉課堂豐富多彩的課堂活動讓所有學生都有事可做，大家“動”起來、“忙”起來、“想”起來，人人都主動學習。

4.4 課程資源

根據我國《教育資源建設技術規范》，教學課程資源分為媒體素材(文本類素材、圖形圖像類素材、音頻類素材、視頻類素材、動畫類素材)、試題庫、課件與網絡課件、案例、文獻資料、常見問題解答、資源目錄索引、網絡課程八類[28]。軟件開發類課程翻轉課堂課程資源可以分為以下幾類：

(1) 基礎理論學習資料。基礎理論學習資料以教材、講解視頻、課件為主，參考資料、案例為輔。對于網絡教材、視頻、課件最好具有互動性。如加州河畔聯合學區采用了基于iPad的數字化互動教材，這套用于試驗的代數1的互動教材由專門的教材公司開發，里面融合了豐富的媒體材料，包括文本、圖片、3D動畫和視頻等，還結合了筆記、交流與分享功能，與其他自備視頻和教學材料的翻轉課堂相比，互動教材更節省教師的時間，更吸引學生沉浸其中[17]。

(2) 課堂訓練資源。課堂訓練資源主要包括：軟件開發環境；企業實際軟件項目庫、案例庫；實訓教材；軟件開發專用技術資料；重點、難點講解資料及相關文檔、模版等。軟件開發環境主要指進行軟件開發的各種技術和軟件工具，還包括相關的幫助文檔、開發文檔，軟件開發環境應該符合IT業界使用的主流技術和開發工具。

(3) 課外訓練資源。一是課前視頻理論學習相配套的訓練題，二是學生自主訓練小案例、微型項目。教師需要在云計算教學平臺中建立試題庫，對于客觀試題，云計算系統要能自動評定答案，并能統計反饋。

(4) 教學指導文件。為了增強教師教學與學生學習的計劃性與目的性，在教學平臺上需要設置教學大綱、教學安排與日志、教學要求及方法、項目開發計劃等教學指導性文件。

4.5 翻轉課堂運行機制

實施課堂的翻轉變革，對于已習慣了傳統教學的教師，現在要求他們精心設計課堂活動，制作精簡視頻，開發教學資源，為學生構造一個適合自主學習、能夠便捷獲取學習資源的虛擬學習環境，不但大大增加了前期工作量，而且對教師提出了較高的要求[11]。對技術使用在教學中的比重及其評價問題讓不少教師對反轉教學中教師的作用產生了諸多疑問[10]。個人“惰性”與習慣思維將增加推行翻轉課堂的阻力。同時，如果放松學生的管理，對于自主學習能力較差的學生由于缺乏教師的當面監督，將由過去的被動學習變成現在的完全不學習，如果疏于課堂活動的設計，課堂時間不能得到充分利用，也就不能實現翻轉課堂研討與實踐所帶來的“吸收內化”的良好效果。因此，翻轉課堂每一個環節都很重要，需要建立良好的管理機制，從制度上根本保障翻轉課堂的良性運行。

(1) 改進學生評價機制。由過去以理論成績為主的應試教育評價機制轉變為綜合考慮理論成績、團隊協作、實踐能力、創造能力、職業素養等多角度的素質教育評價機制。

(2) 改革教師評價機制。很多高校通常的做法是組織專家及學生對教師的課堂授課水平進行評分，以評判教師教學質量的高、低。但教師課堂授課水平高低并不能代表學生學習的效果，更不能代表學生能力的培養。教師的評價機制變革應以學生評價機制改革為基礎，建立既重視視頻教學效果、教學資源開發、課堂活動組織、學生監控管理等的過程評價，又重視學生能力提升的結果評價的綜合評價機制。

(3) 建立激勵機制。首先，對于采用翻轉課堂模式教學的教師，因為前期工作量顯著增加，教師將付出更多的勞動，學校應進行一定的補償；其次，根據新建立的教師評價體系對教師進行公平公正的評價，評價結果與教師收入緊密掛鉤，充分地調動教師的工作積極性。

5 結 語

翻轉課堂實現了傳統課堂中知識傳授與知識內化的顛倒，真正體現“以學生為中心”的教育理念。翻轉課堂適合于軟件開發類課程教學，軟件開發類課程翻轉課堂教學模型可以分為課前視頻學習、課堂訓練內化、課后固化三個關聯階段，由云計算網絡教學平臺、視頻講解、課堂活動、課程資源、運行機制等五大要素所組成。建立云計算網絡教學平臺，就是用科技顛覆教與學，很好地實現課堂翻轉。

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